CN114930226A - 具有颜色特定调制的头戴式系统 - Google Patents

Abstract

一种用于显示图像的头戴式显示器系统，所述头戴式显示器系统包括用以为显示器生成光的显示引擎，所述系统被配置成将颜色特定设置应用于所述光的一种或多种颜色。在一个实施例中，所述颜色特定设置包括以下中的一个或多个：具有不同分辨率、不同焦距和不同视场的颜色。

Description

具有颜色特定调制的头戴式系统

相关申请

本申请要求2020年1月6日提交的第62/957,777号美国临时申请的优先权，且以全文引用的方式将该申请并入。

技术领域

本申请涉及头戴式显示器，且更具体地说涉及头戴式显示器中的颜色特定调制。

背景技术

需要重量轻的低功率头戴式显示器(HMD)。核心挑战是创造一种高分辨率、全彩色、大视场(FOV)、低功耗、高散热的显示器，可以舒适地戴在头上。为了在大视场上维持高分辨率(每度像素或PPD)，通常需要具有大量像素的显示器。举例来说，每度60个像素处于普通人眼的角分辨率的极限。要为具有40°水平(H)乘40°竖直(V)的视场(每度60个像素)的头戴式显示器提供足够的像素，需要2400x2400像素或每只眼睛5.76兆像素的显示分辨率。具有此分辨率的显示面板通常非常大，因为个别像素具有最小尺寸。这需要在头戴式显示器的工业设计上做出妥协。显示面板还需要大量功率来驱动像素并以头戴式显示器的帧速率执行每一像素值的计算。随着视场变大，折衷变得更糟。

普通人眼的视场是135°H乘180°V，但人眼无法在此视场中每度分辨60个像素。其中眼睛可以分辨最大敏锐度的视场通常为30°H乘30°V且最大为70°H乘55°V。最大情况下需要分辨率为4,200x3,300或～14兆像素的显示面板才能覆盖眼睛的FOV的高分辨率区域。要覆盖超出此范围的外围空间将需要更多的像素，因此需要更多的空间、计算和功率。使用当前技术，显示器尺寸和功率要求使舒适、有吸引力的形状因数不可能实现。

附图说明

借助于实例而非借助于限制在附图的图中说明本发明，且在附图中相似参考标号指代类似元件，且其中：

图1示出对各种颜色的光谱响应的一个实施例。

图2是系统的一个实施例的框图。

图3示出虚拟现实(VR)HMD系统的一个实施例，其中使用VR显示器结合用于一种或多种更高频率颜色的单独显示引擎来显示一种或多种颜色。

图4示出系统的一个实施例，其中单个光学传播器与单独的显示引擎一起使用。

图5示出扩增现实(AR)HMD的一个实施例，其中一种或多种颜色使用第一光学传播器，而一种或多种更高频率颜色使用第二光学传播器。

图6A示出三传播器配置的一个实施例，其中每种颜色具有单独的光学传播器。

图6B示出了三传播器配置的一个实施例，其中每种颜色具有单独的显示引擎和光学传播器。

图6C示出双传播器配置的一个实施例，其中每一光学传播器具有相关联的显示引擎。

图7示出多焦波导的一个实施例，其中仅绿色波导提供第二焦距。

图8示出多焦波导的一个实施例，其中使用了红-绿波导和蓝-绿波导。

图9示出多焦波导的另一实施例，其中使用了红-绿波导和蓝-绿波导。

图10示出多焦波导的一个实施例，其中使用了非串联的单独输入。

图11示出多FOV波导的一个实施例。

图12示出多FOV显示器的另一实施例。

图13是可与本发明一起使用的计算机系统的一个实施例的框图。

具体实施方式

通过优化头戴式显示器(HMD)的设计以利用人类色觉的工作方式，可以在不影响分辨率或视场的情况下将HMD做得更小、更轻、更高效。在一个实施例中，所述系统基于波长的视觉感知应用颜色特定调制，使得视觉信息基于其颜色/波长而被不同地处理。系统将设置应用于一个颜色通道以更改其格式。在一个实施例中，应用于颜色子集的设置更改其分辨率、焦距、视场和/或中心凹。在一个实施例中，这种改变应用于绿色通道。在一个实施例中，所述改变被应用于另一颜色子集。在一个实施例中，视觉信息包括焦距、视场和/或像素密度的颜色更改。可以对显示器中的三种颜色中的一种或两种应用其它改变。在一个实施例中，基于波长的调制利用人眼的颜色感知来创建具有改进的质量、降低的成本、降低的功耗和/或减轻的重量的显示器。

这种改进的HMD结构和设计以一种新的方式利用光学元件和颜色编码，从而减小了尺寸、功率(电池)和处理要求以及用户头部周围的热量，同时保持图像的感知像素密度(PePD)或视觉敏锐度。这种改进的设计可以与虚拟现实(VR)系统、扩增现实(AR)系统或任何其它生成和显示虚拟对象的混合现实或“XR”系统一起使用。

解决HMD的问题的一种方法是使用动态中心凹显示。动态中心凹显示利用了这样一个事实，即眼睛只能在中心凹区内以其最高分辨率感测，该区在视场中心附近只有几度宽。眼睛的分辨能力迅速下降，在距中心～2.5°处降至1/2分辨率，一直到视场边缘处～1/15。动态中心凹显示将高分辨率图像部分放置在眼睛注视的位置。通过这种方式，它们能够将覆盖眼睛的整个视场所需的像素总数减少多个数量级。通过进一步考虑人类视觉系统的颜色感测的结构，可以将高分辨率显示器设计得更加紧凑和高效。

对于大多数人来说，眼睛的像素分辨率对于绿色/黄色光谱较高，而对于光谱的红色和蓝色部分则较低。在一个实施例中，系统以绿色/黄色显示比红色/蓝色更高分辨率的图像。这导致眼睛感知更高分辨率图像，因为中心凹附近的大多数传感器对绿色/黄色敏感。在一个实施例中，数据流的这种颜色压缩减少了处理和显示的数据量，并且还可以简化所使用的光学器件。

具有被设计成产生全彩色图像的针对不同颜色具有不同像素分辨率的衍射光学元件，是一种意想不到的重新设计，具有许多益处，例如成本更低、重量更轻、功耗更低。这使得头戴式显示器的电池更小、运行时间更长和/或散热需求更低。

在一个实施例中，所述系统通过颜色分割焦距，其中红/绿组合器在第一焦距处，而蓝/绿组合器在第二焦距处。在一个实施例中，组合器是波导。这允许使用具有两个组合器(红/绿和蓝/绿)而不是六个组合器的系统来提供多焦显示。在此项技术中众所周知，组合器设计必须传输三种颜色，才能感知到全彩色图像。被设计成产生全彩色多焦图像的在不同距离处仅具有三种颜色的子集的组合器，是一种出人意料的重新设计，具有许多益处，例如成本更低、重量更轻、功耗更低，可延长头戴式显示器的运行时间。

本发明实施例的以下详细描述参考附图，其中相同标号指示类似元件，通过说明的方式示出实践本发明的具体实施例。这些实施例的描述足以使本领域技术人员能够实践本发明。本领域技术人员应理解，可利用其它实施例，且可在不脱离本发明的范围的情况下进行逻辑、机械、电、功能和其它改变。因此，以下详细描述不是限制性的，且本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

人类色觉系统

视杆和视锥是眼睛中使视力成为可能的两个主要感光细胞。视杆对光非常敏感，会对单个光子做出响应，但是，它们不会向大脑提供有关颜色的信息；颜色信息由视锥提供。每个视锥都有一种对波长敏感的色素，它具有特定的光谱响应。普通人眼中存在三种类型的视锥：短(S)、中(M)和长(L)。

图1示出眼睛的视杆和视锥的典型光谱响应。短色素的峰值响应在色谱的蓝色部分中的较短波长处，中色素的峰值响应在光谱的绿色部分的高端处的中波长处，而长色素的峰值响应在光谱的黄橙部分附近的较长波长处。来自每一视锥的光谱响应很广且尤其在中锥和长锥之间存在明显重叠。这意味着存在从可见光谱的短绿色区段到黄色部分的波长区段，其将刺激中锥和长锥两者，但不刺激短锥。每一类型的视锥的空间分布可用于设计更高效、更轻、更便宜的头戴式显示器。

最高分辨率区域中心凹中视网膜的后部包含三种类型的视锥：长锥为红色、中锥为绿色，且短锥为蓝色。中心凹中的短锥比中锥和长锥明显要少。M+L视锥与S视锥的典型比率为～14:1。眼睛的大部分分辨能力来自中锥和长锥感测到的光，因为其空间密度高得多，较零星间隔的S视锥在可见范围的较小端处提供光谱信息。

本申请中描述的改进的HMD可利用眼睛的工作方式来克服当前行业挑战。

微型显示器

典型的显示器通过混合来自单独颜色源的光以在显示中创建所有颜色来创建彩色图像。在一个实施例中，典型的显示器使用一个红色(R)源、一个蓝色(B)源和一个(有时两个)绿色(G)源。这些源可以是发光二极管(LED)、微LED、激光器、扫描激光器、单个光源，以及具有不同彩色滤光器的区段的快速旋转轮等。

在一个实施例中，一组RGB光源和/或数字微镜装置(DMD)中的单个反射镜用于显示一个像素。来自这些源中的每一个的光根据针对那些传感器中的每一个的色素的光谱响应刺激眼睛中的视锥和视杆。视觉系统将视锥的响应转化为普通人类可见的数百万种颜色。通过设定个别颜色中的每一个的不同输出强度来创建不同色调。每一颜色的强度以特定位精确度编码。对于3位颜色，可为512种独特颜色挑选每一颜色的8个等级。在现代显示器上，通过为每一颜色通道指派8位，这通常扩展到16.7百万种颜色。执行此操作的典型方法是为三个颜色通道提供256个等级的颜色强度：红色、蓝色和绿色的8位(2⁸＝256)。这产生256³＝16.8百万个颜色组合。还有许多其它方法将颜色数据编码为数字值，例如YUV及其变型。尽管本申请论述使用RGB光，但是所属领域的技术人员将理解，在不背离本发明的情况下可以使用其它编码颜色数据的方式。

将这些编码方法与下面列出的光学架构相结合，将进一步节省计算能力、降低视频带宽要求，从而降低功耗、减小整体尺寸、重量和简化产品的工业设计。

图2是头戴式显示器系统的一个实施例的框图。

由头戴式显示器200创建的虚拟图像的生成在计算系统200中开始。此系统200可以是具有视频卡的台式计算机或包含类似于手机中使用的处理器和图形处理器的芯片上系统，或者是其中分布式计算机提供处理的基于云的系统。在一些实施例中，图形引擎220从传感器输入250(例如，相机252、眼睛跟踪传感器254、环境光传感器256和生物传感器258)获取数据，以将每一个别像素的适当颜色编码为构成一帧数据的值的阵列。在一个实施例中，图形引擎220生成所有三个颜色值的像素数据。在一个实施例中，图形引擎220包含分辨率选择器225，以选择颜色中的每一个的分辨率。在一个实施例中，分辨率可因颜色而异。在另一实施例中，一种颜色可以具有比其它颜色更高的分辨率。在一个实施例中，较高分辨率颜色是绿色。

在一个实施例中，所述系统包含调制器230，其调制来自图形引擎220的光的一部分。调制可以是更改分辨率、焦距和/或中心凹。在一个实施例中，调制可以是图形引擎220的一部分。计算系统210提供用于光数据的设置，其可包含以下中的一个或多个：分辨率、中心凹图像的焦点位置、焦距，以及颜色中的每一个的视场。

在一个实施例中，人眼以最高分辨率感知的绿光具有最高分辨率，而蓝光和红光具有较低分辨率。在一个实施例中，这可以通过使用下取样器233对蓝光和红光进行下取样来实现。在另一实施例中，图形引擎220中的分辨率选择器225可以是用于光的第一子集的单独的光引擎，其具有比为光的剩余部分生成的图像数据更高的分辨率。

在一个实施例中，调制包括使用中心凹图像定位器238对中心凹图像进行定位。在一个实施例中，中心凹图像定位器238利用来自传感器250的数据来为用户定位中心凹图像。

在一个实施例中，光的子集可以具有不同的焦距。举例来说，绿光可处于近距离，而红光和蓝光处于无限焦距。或者，红/绿可以处于一个焦距处，而蓝/绿在另一焦距处。焦距逻辑236为颜色中的每一个选择焦距。

在一个实施例中，所述系统包含被更改的光的颜色的子集。因此，在一个实施例中，光的设置可以依据颜色更改其中心凹位置、焦距、视场和/或分辨率。然而，在一个实施例中，剩余的未更改的光也可包含所有颜色。

此数据通过高速数据通道245从计算系统210发送到光学系统260。必须非常快速地计算像素值并将它们编码到此阵列中，以防止VR/AR中的模拟器失常，并在AR中呈现锁定到现实世界的对象。帧速率通常为约90Hz，或每0.011秒一个新帧。此计算是一个消耗大量能量并生成大量热量的密集型过程。这两者对于移动HMD都是挑战，因为提供必要电力的电池240很重并且用户头部周围的热量令人不舒服。

减少计算要求降低了功耗，从而允许更小的电池尺寸，使头戴式装置更轻、更舒适，并减少生成的热量，降低散热要求。但是降低计算要求与其它系统偏好直接冲突，例如高分辨率和大视野，这两者传统上都是通过添加更多像素来实现的。总像素计数随着FOV的面积的增加而增加，这导致总像素计数增加到无法在头戴式显示器中驱动的水平，因为它们需要太多的计算能力并且显著增加了显示面板的尺寸。要了解更多系统优化折衷，虚拟和扩增现实HMD的光学架构的更多细节是有帮助的。

HMD的光学元件

虚拟现实(VR)HMD阻挡来自现实世界的光，并向用户呈现完全虚拟的现实。简单来说，VR显示器的光学架构是不透明显示器270，例如有机发光二极管阵列，其前面有放大镜275。VR HMD通常非常大，因为它们具有很大的FOV，并且需要大量像素才能为用户创建块状图像。大量的像素需要具有大量的计算能力的大的显示器，这需要大量的能量来驱动。

扩增现实(AR)HMD创建与入射光混合的虚拟图像，并扩增用户在世界上已经看到的内容。AR系统的光学设计比VR更复杂，因为它将虚拟图像与世界的真实图像组合。这可以通过多种方式实现。在一种方式中，系统使用相机捕获来自现实世界的光，然后将其与图形处理单元中的AR图像组合，然后显示在HMD中。这称为直通AR。另一种方式是使用透明光学组合器(例如波导、水盆部分反射镜或全息光学元件)将来自现实世界的光子直接与所生成的AR图像组合。这称为透视AR。

光学系统260可包含不透明虚拟现实(VR)显示器270或可包含透镜275以启用扩增现实(AR)显示器。在一个实施例中，AR系统是透视系统，其中显示元件是透明的，因此可以直接感知现实世界。光学系统包含光学组合器组合件280，其包含一个或多个光学组合器。在一个实施例中，光学组合器是一个或多个波导。光学组合器组合件280将光导引到用户的眼睛。在一个实施例中，所述系统包含一个或多个显示引擎285。在一个实施例中，光学组合器组合件280可以确定光的利用光学组合器的部分的焦距。因此，使用两个或更多个光学组合器，可以在两个或更多个焦距处显示光。显示引擎285生成通过光学组合器的光。在一个实施例中，所述系统可包含中心凹图像，其为具有较高分辨率的较小图像。对于此些配置，提供中心凹显示元件290以在视场内移动中心凹显示，来定位所述中心凹显示。如此项技术中已知，可以使用例如定位反射镜和透镜等其它元件。

波导是一种类型的光学组合器，用于将头戴式显示器的虚拟图像与其它光混合。在AR系统中，所述光与来自现实世界的光混合。在VR系统中，所述光可以与例如OLED或LCD面板等另一不透明显示器混合。传输与单个像素相关联的数据的一个或多个波导可以称为波导组合件或光学组合器组合件280。虽然本发明系统大体上是用波导论述的，但所属领域的技术人员将理解，在任何以下实施例中，可以使用其它光学组合器。

由于较低的分辨率要求，上述益处也适用于此类替代性光学组合器。举例来说，光学组合器可包含反射全息光学元件(HOE)、曲面镜、计算全息显示器、包含半透明反射镜和分束器的水盆光学器件，或其它设计。对于这些类型的光学组合器，分辨率的降低也为公差、重量和所用材料提供了灵活性。因此，所属领域的技术人员将理解，当前改进可用于任何类型的光学组合器组合件280，而不仅仅是波导。

使用光学组合器的VR系统

在使用光学组合器的标准VR系统中，源显示器通过入耦器耦合到光学材料的波导中。光线在光学材料内部反弹，因为它们的角度小于该材料的临界角。这称为全内反射(TIR)。光线继续经由TIR沿波导向下行进，直到它们与导致光线离开波导并到达用户眼睛的出耦器交互。波导内部可能还有其它元件可以将光向其它方向移动，从而使系统的眼框(eyebox)更大。这些称为眼框扩展器。入耦器、出耦器和眼框扩展器被称为衍射光学元件(DOE)。

许多不同的结构和材料可以用作波导中的DOE。表面浮雕光栅是一种类型的DOE结构。表面浮雕光栅具有非常小的凹槽，并放置在所述区域中以将光衍射到不同的方向。举例来说，这些光栅可以通过在光学衬底的顶部上对聚合物进行纳米压印来制造，它们可以直接蚀刻到衬底中，或者它们可以以许多其它方式制造。光栅可以垂直于波导的表面，也可以倾斜。光栅可以是柱子或凹槽。制作DOE的另一种方式是使用全息膜。这些膜可以是已经暴露而在聚合物内部形成衍射位点的聚合物。当膜在入耦、扩展器或出耦区中层压到波导时，光会从所述位点衍射出来，在必要的方向中沿着波导向下转向TIR或呈现给眼睛。

各种类型的DOE的使用是此项技术中已知的。可以使用在波导或光学组合器中制造DOE的其它方法。

为了维持发送给用户的最终图像的高分辨率，波导的平坦度需要严格的公差；例如，在一个实施例中，使用小于1μm的材料的厚度变化和小于5μm的翘曲。这些严格的公差增加了波导材料的生产成本。如果波导的分辨率要求较低，则波导可能具有较宽松的公差。在一个实施例中，对于较低分辨率的颜色，波导可以具有小于4μm的厚度变化和小于20μm的翘曲。在一个实施例中，可以使用其它材料，例如塑料而不是玻璃，以及其它制造方法，例如注入模制，来制造用于较低分辨率的波导。因此，通过使一些波导作为较低分辨率的波导，可以降低整体产品成本和/或可以使产品更轻，因为用于较低分辨率的波导的灵活性增加。在一个实施例中，所述系统还可以使用放大来降低像素密度，如下文将描述。

最大限度地减少个别波导的数目是有利的，因为这降低了成本、复杂性和重量，并将增加HMD的透明度。

多分辨率波导

多分辨率光学组合器组合件基于波长提供两个或更多个分辨率下的数据。也就是说，以一种颜色呈现的图像的分辨率将不同于以不同颜色呈现的分辨率。在一个实施例中，因为人眼以更高分辨率感知绿色数据，所以图像的最高分辨率部分在绿色波长范围内。

在一个实施例中，较高分辨率单色显示引擎与其它颜色的较低分辨率显示组合。在一个实施例中，较高分辨率单色显示引擎是中心凹的，这意味着其导向用户的中心凹。在一个实施例中，所述组合提供了系统具有VR显示器的视场和单色显示引擎的分辨率的感知。

在一个实施例中，红色和蓝色通道以较低的第一分辨率呈现给用户，而绿色通道以较高的第二分辨率呈现给用户。尽管三个通道中有两个的分辨率较低，但感知到的分辨率是绿色通道的分辨率。在一个实施例中，较低的分辨率是5-40像素每度(PPD)，而较高的分辨率是30-60ppd。

在另一实施例中，蓝色、红色和绿色通道各自以不同的分辨率呈现，从最低到最高。在一个实施例中，蓝色通道以最低分辨率(5-20ppd)呈现，红色通道以中间分辨率(10-40ppd)呈现，而绿色通道以最高分辨率(30-120ppd)呈现。

为了生成多分辨率显示，在一个实施例中，对每种颜色使用单独的显示引擎。在一个实施例中，存在三个不同的显示引擎285，每种颜色一个，每一显示引擎具有不同的分辨率并且任选地具有不同的视场。在一个实施例中，分辨率对应于上述分辨率范围。在一个实施例中，每一单色光引擎将其图像导引到不在任何其它颜色的路径中的入耦光栅。在另一实施例中，使用例如X-立方体或X-板等光学元件或分色镜的其它布置或其它光学元件将三个显示器组合在一起形成一个图像，并且所述图像被发送到光学组合器。在另一实施例中，可以使用两个显示面板，一个用于红色和蓝色，具有相同的分辨率，一个用于绿色，具有更高的分辨率。在另一实施例中，可以使用单个三色显示引擎。在一个实施例中，可以分离显示引擎的输出以用于输入到不同的光学组合器。显示引擎的配置，无论是使用一个、两个还是三个显示引擎，都不是决定性的。其可以在以下任何配置中进行更改。

在一个实施例中，初始图像具有绿色通道的分辨率，且红色和蓝色通道被下取样(减少帧的像素计数)，而绿色通道保持在高分辨率。在一个实施例中，下取样的范围为绿色通道分辨率的1/6-5/6。在一个实施例中，红色和蓝色通道以相同的速率下取样。或者，可以以不同的速率对它们进行下取样。这降低了生成每一帧所需的计算能力，以及降低用于向用户呈现图像的能力。

可以使用生成较低分辨率红色/蓝色和/或较高分辨率绿色图像数据的其它方式。在一个实施例中，红色/蓝色通道分辨率的分辨率通过增加放大率而降低，因此具有更大的像素(例如，每度更少的像素)。在一个实施例中，这可以用于增加红色/蓝色通道的视场，从而在相同的显示引擎下提供更大的视场。在一个实施例中，放大率可以是差分放大率，使得放大率水平随距中心凹/图像焦点的距离而变化。

图3示出具有微型显示器的VR HMD的一个实施例，例如虚拟现实显示面板310，在一个实施例中是OLED面板，具有与高分辨率显示器360组合的较低分辨率LED阵列。为简单起见，此图仅展示一个眼框和一条光线。所属领域的技术人员将理解，这是为了使该图更容易理解而进行的简化。

在一个实施例中，波导330或其它光学组合器从较高分辨率单色像素360投影图像。来自面板310的图像通过VR光学器件320。在一个实施例中，来自面板310的光通过波导330，但不沿着波导330导引。

在一个实施例中，RGB OLED 310的较低分辨率阵列包含三种颜色中的两种。在一个实施例中，OLED的较低分辨率阵列的颜色为仅红色和蓝色。

在另一实施例中，OLED 310的较低分辨率阵列可以是标准三色OLED，且系统将绿色通道设定为不发送数据。在一个实施例中，高分辨率单色显示器360是绿色的。在另一实施例中，较高分辨率颜色是另一颜色波长，其大体上刺激M锥和L锥两者。在一个实施例中，颜色是黄色或橙色。对至少一些颜色具有较低分辨率显示降低了整体HMD功耗和重量，因为要计算的总像素值更少，而由于经由波导330显示的绿色图像的分辨率较高，所以感知到的分辨率为高。在一个实施例中，较高分辨率单色显示引擎具有40-60ppd的分辨率。

来自显示引擎360的高分辨率图像经由入耦器340耦合到波导330中，并经由出耦器350出耦。在一个实施例中，经由波导330发送的高分辨率图像是动态中心凹的。动态中心凹将高分辨率图像瞄准到用户的中心凹，其具有最高的感知分辨率。通过具有中心凹的高分辨率图像，系统可以减小高分辨率图像的视场，从而降低高分辨率图像的像素计数，同时将感知到的分辨率维持在高分辨率水平。缩小的视场降低了功耗，同时在整个视场上维持高感知分辨率。在一个实施例中，当高分辨率图像为动态中心凹时，不透明VR显示面板310提供也被显示的单独的场图像。在此实施例中，场(或较低分辨率)图像还包含绿色通道。因此，在一个实施例中，传输高分辨率中心凹图像的绿色波导还包含中心凹区域之外的较低分辨率OLED图像。在另一实施例中，VR显示面板310包含用于场图像区域的绿色。在一个实施例中，场显示器可以具有用于中心凹显示区域的切口。2019年12月24日发布的第10,514,546号美国专利中描述了实施此中心凹图像显示的一个实施例，该专利以引用的方式并入本文中。

图4示出系统的一个实施例，其中单个光学传播器与单独的显示引擎一起使用。所述系统包含三个单独的显示引擎430、440、450。在一个实施例中，不同显示引擎430中的每一个输出的光可以具有不同的分辨率。在另一实施例中，来自绿色显示引擎430的光具有比红色显示引擎440和蓝色显示引擎450的光输出更高的分辨率。

所述系统包含波导410，其包含用于显示引擎中的每一个的入耦器435、445、455。在一个实施例中，入耦器不重叠，并且在物理上彼此移位。在一个实施例中，波导410包含单个出耦器420。在一个实施例中，波导410针对绿光优化。波导410可以针对某些频率范围优化。在一个实施例中，波导410针对绿色通道优化。

图5示出扩增现实(AR)头戴式装置(HMD)的一个实施例，其中一种或多种颜色使用第一波导510，而一种或多种更高频率颜色使用第二波导520。在一个实施例中，红色和蓝色信息515经由第一波导510以较低分辨率呈现，而绿色信息525经由第二波导520以较高分辨率呈现。通过将大部分图像空间信息置于刺激M锥和L锥两者的绿色通道中，并使红色和蓝色通道处于较低分辨率，图像的结构来自绿色通道525，且色域的其余部分来自较低分辨率的蓝色和红色通道515。这降低了总像素计数，降低了功率要求，从而降低了创建HMD的重量和费用。然而，由于眼睛感知图像的方式，所得图像的感知分辨率类似于绿色通道的较高分辨率。在一个实施例中，三色显示引擎530可以为红光和蓝光515以及绿光525两者生成图像数据。基于频率选择合适的波导。在一个实施例中，可以使用单个显示引擎530，并且系统可以依据频率(波长)分离输出。在另一实施例中，用于波导510、520的入耦器是频率选择性的，并且入耦适当的颜色通道。

在一个实施例中，具有较低分辨率的颜色通道，通常是红色和蓝色，可以经由更便宜、质量较低的波导发送，而绿光经由具有较好成像能力的波导520发送。在一个实施例中，用于较低分辨率颜色的波导由塑料制成。在一个实施例中，用于具有较低分辨率的颜色通道的波导由具有较宽松平坦度规格的玻璃制成。

在一些实施例中，绿光是动态中心凹的，如上文所论述。

在图6A所示的另一实施例中，不是在单个波导中呈现红色和蓝色数据，而是使用三个波导，每种颜色一个。高分辨率绿色数据呈现在一个波导630中，而红色和蓝色数据呈现在单独的波导620、610中。在一个实施例中，在此配置中，红光和蓝光可以具有不同的分辨率。在一个实施例中，红光625是中等分辨率，而蓝光615为低分辨率。在一个实施例中，使用三色显示引擎640。波导中的每一个具有单独的入耦器。在一个实施例中，入耦器是颜色选择性的，使得每组波长都耦合到适当的波导中。这改进了当前产品，因为更便宜、更轻、质量更低的成像材料可用于红色和蓝色波导，例如塑料。

图6B示出三传播器配置的一个实施例，其中每一颜色通道具有单独的显示引擎650、655、660和光学传播器654、659、665。三波导系统针对颜色中的每一个利用单独的显示引擎650、655、660。颜色中的每一个的入耦器相对于彼此移位。具有单独的显示引擎使绿色显示引擎660能够具有更高的分辨率、不同的焦距或中心凹。

图6C示出双传播器配置的一个实施例，其中每一光学传播器具有相关联的显示引擎。在此配置中，存在绿色显示引擎670和蓝/红显示引擎680。与红/蓝光685相比，这允许调整绿色通道675的分辨率。此外，绿色波导695的质量可以高于红/蓝波导690的质量。

多焦波导

当考虑到光的聚焦时，问题变得更加复杂。人眼可以通过使其透镜失真来改变其焦深；这称为调视。对于头戴式显示器，调视距离需要与注视点的距离相匹配，注视点是来自两只眼睛的注视向量在空间中相交的点。当这些深度不匹配时，就会出现会聚-调视冲突，导致头痛和其它不利的生理影响。如果头戴式显示器只能在一个焦距处显示虚拟对象，则需要严格限制这些对象的显示范围，以免引起会聚-调视冲突。

通常，波导的出耦器在无限焦点处创建虚拟图像。在一个实施例中，可以将光功率添加到出耦器以将焦点从无穷远改变以使其更靠近头部，然而，这种改变必须应用于每一出耦器并且对于所述波导是固定的。在另一实施例中，在出耦器和眼睛之间放置光学器件以将焦点移入。在这种情况下，需要在波导的远侧安装补偿光学器件，以使来自现实世界的光不受薄透镜影响。提供多焦显示的一种方式是使用两组波导，一组用于一个焦点处的RGB，另一组用于不同焦点处的RGB。然而，这会使总波导计数加倍，并增加系统复杂性和重量。

在一个实施例中，本发明系统包含具有不同焦距的两个或更多个波导。

图7示出一个实施例，其中第一波导710在远焦处引导RGB光715并且第二波导720在近焦处引导仅绿光725。在一个实施例中，RGB远焦光聚焦在0.5-∞米范围内，而仅绿色近焦光聚焦在0.25-1米范围内的距离处。在一个实施例中，因为绿光存在于波导710、720两者中，所以波导选择器730将光导引到适当的波导。在一个实施例中，波导选择器730可以使用偏振将一部分绿光引导到RGB波导710和仅绿色波导720。

图9示出一个实施例，其中第一波导910引导图像的蓝光和绿光915并创建在更远的Z距离处聚焦的虚拟图像。第二波导920引导红光和绿光925并且聚焦在更近的Z距离处。在一个实施例中，较远的(蓝绿)Z距离在0.5-∞米的范围内，而较近的(红绿)Z距离在0.25-1米的范围内。在一个实施例中，波导选择器940可以使用例如偏振控制等光学技术来使光仅耦合到两个波导中的一个中。在一个实施例中，波导选择器940是分束器。在一个实施例中，彩色滤光器用于使光耦合到适当的波导中。在一个实施例中，彩色滤光器是反射滤光器。在一个实施例中，显示引擎930交替显示红-绿帧和蓝-绿帧，并且波导选择器940是基于时间的选择器。

在图8所示的另一实施例中，切换红-绿和蓝-绿波导，使得显示更靠近用户的图像数据的波导是蓝-绿波导，而用于更远的图像数据的波导是红-绿波导。

在图10中所示出的一个实施例中，具有R、G和B的波导1010在0.5-∞米范围内的距离处以第一更远焦距显示数据，而另一仅绿色波导1020在0.25-1米范围内的距离处以第二更近焦距显示数据。在一个实施例中，RGB光1015的显示数据由三色显示引擎1040产生，而仅绿光1025的显示数据由仅绿色显示引擎1030产生。在一个实施例中，仅绿色显示引擎1030的图像是动态中心凹的。在一个实施例中，RGB显示引擎1040是中心凹的。在一个实施例中，两个显示引擎都是中心凹的。在一个实施例中，在不同距离处聚焦的更多波导被组合以产生两个以上焦距，例如3个波导可以提供范围为：0.5-∞米、0.25-1米和0.1-0.5米的焦平面。每一焦平面具有至少一个高分辨率波长，在一个实施例中，此波长为绿色，以在所述焦平面处提供空间信息。其它一些焦距将具有其它颜色以提供图像的颜色信息。

在图10所示的实施例中，瞳孔在空间上是分开的。也就是说，第一波导1010的入耦器与第二波导1020的入耦器在空间上分离。

多FOV波导

人类视觉系统在眼睛的视场(FOV)上感测颜色的方式不同，因为视场中色素锥的分布不同。光学组合器组合件的设计可以考虑此分布，以创建具有较低总颜色像素计数的大视场。举例来说，在中心凹附近发现高浓度的中锥和长锥。中心凹以外的区以视杆和短锥为主。在一个实施例中，一个波导可以在由旋转眼球的中心凹扫描的视场上携载绿光和红光，最低30H乘30V度到70H乘55V度，另一波导可以在达到135H乘180V度的大得多的视场上显示蓝光，以创建135H乘180V度的FOV的感知，但整体像素更少。

图11示出多FOV显示器的一个实施例，其中红-绿波导1120输出具有比由仅蓝色波导1110输出的蓝光1115小的视场的红光和绿光1125。在此配置中，颜色通道的入耦器在空间上是分开的。在一个实施例中，蓝色通道的分辨率低于红色和绿色通道的分辨率。

图12示出多FOV显示器的另一实施例，其中RGB波导1210从三色显示引擎1240输出红光、蓝光和绿光1215，具有比仅绿色显示器1230经由仅绿色波导1220更大的视场和更低的分辨率。在此配置中，波导具有不同的尺寸，仅绿色波导1220的尺寸较小。在一个实施例中，入耦器的尺寸也不同。在一个实施例中，用于绿光1225的入耦器小于RGB入耦器。在一个实施例中，仅绿色波导1220的入耦器也小于RGB波导1210的出耦器。在各种组合中，波导、入耦器和出耦器的相对尺寸在波导之间可能不同。

图13是可以与本发明一起使用的特定机器的框图。然而，对于所属领域的普通技术人员来说显而易见的是，还可以使用各种系统架构的其它替代性系统。

图13所示出的数据处理系统包含总线或用于传送信息的其它内部通信构件1340，以及联接到总线1340以用于处理信息的处理单元1310。处理单元1310可以是中央处理单元(CPU)，数字信号处理器(DSP)或另一类型的处理单元1310。

在一个实施例中，所述系统进一步包含联接到总线1340的随机存取存储器(RAM)或其它易失性存储装置1320(称为存储器)，用于存储将由处理器1310执行的信息和指令。主存储器1320还可用于在由处理单元1310执行指令期间存储临时变量或其它中间信息。

在一个实施例中，系统还包括联接到总线1340以用于存储用于处理器1310的静态信息和指令的只读存储器(ROM)1350和/或静态存储装置1350。在一个实施例中，系统还包含数据存储装置1330，例如磁盘或光盘及其相应的磁盘驱动器，或快闪存储器或其它能够在不向系统供电时存储数据的存储装置。在一个实施例中，数据存储装置1330联接到总线1340，用于存储信息和指令。

系统可进一步联接到输出装置1370，例如经由总线1360联接到总线1340以用于输出信息的阴极射线管(CRT)或液晶显示器(LCD)。输出装置1370可以是视觉输出装置、音频输出装置和/或触觉输出装置(例如振动等)。

输入装置1375可联接到总线1360。输入装置1375可以是字母数字输入装置，例如包含字母数字键和其它键的键盘，以用于使用户能够将信息和命令选择传送到处理单元1310。可进一步包含额外用户输入装置1380。一个此类用户输入装置1380为光标控制装置1380，例如鼠标、轨迹球、触控笔、光标方向键或触摸屏，所述光标控制装置可经由总线1360联接到总线1340，以用于将方向信息和命令选择传送到处理单元1310，且用于控制显示装置1370上的移动。

可任选地联接到计算机系统1300的另一装置为用于经由网络访问分布式系统的其它节点的网络装置1385。通信装置1385可包含若干可商购的联网外围装置中的任何一个，例如用于联接到以太网、令牌环、因特网或广域网、个域网、无线网络或访问其它装置的其它方法的那些联网外围装置。此外，通信装置1385可为零调制解调器连接，或提供计算机系统1300与外界之间的连接的任何其它机构。

应注意，图13中所示的此系统的任何或所有组件以及相关联的硬件可以在本发明的各种实施例中使用。

所属领域的普通技术人员将理解，可以根据特定实施方案以各种方式配置体现本发明的特定机器。实施本发明的控制逻辑或软件可存储于主存储器1320、大容量存储装置1330或处理器1310可本地或远程访问的其它存储介质中。

对于所属领域的普通技术人员显而易见的是，本文描述的系统、方法和过程可被实施为存储在主存储器1320或只读存储器1350中并由处理器1310执行的软件。此控制逻辑或软件也可驻留于制品上，所述制品包括计算机可读介质，所述计算机可读介质具有体现于其中且可由大容量存储装置1330读取且用于致使处理器1310根据本文中的方法和教示操作的计算机可读程序代码。

本发明还可以体现于含有上述计算机硬件组件的子集的手持式或便携式装置中。举例来说，手持式装置可被配置成仅包含总线1340、处理器1310和存储器1350和/或1320。

手持式装置可以被配置成包含一组按钮或输入信令组件，用户可以利用其从一组可用选项中进行选择。这些可以被认为是输入装置#1 1375或输入装置#2 1380。手持式装置还可以被配置成包含输出装置1370，例如液晶显示器(LCD)或显示元件矩阵，用于向手持式装置的用户显示信息。可以使用常规方法来实施此类手持式装置。鉴于如本文所提供的本发明的公开内容，本发明对于此类装置的实施对于所属领域的普通技术人员而言将是显而易见的。

本发明还可以体现在专用器具中，所述专用器具包含上述计算机硬件组件的子集，如信息亭或车辆。举例来说，器具可以包含处理单元1310，数据存储装置1330，总线1340和存储器1320，没有输入/输出机构，或者只有基本的通信机构，例如允许用户以基本方式与装置通信的小型触摸屏。通常，装置越特殊，装置运行所需的元件越少。在一些装置中，与用户的通信可以通过基于触摸的屏幕或类似机构进行。在一个实施例中，装置可以不提供任何直接输入/输出信号，但是可以经由网站或通过网络装置1385的其它基于网络的连接来配置和访问。

所属领域的普通技术人员将理解，可以根据特定实施方案使用实施为计算机系统的特定机器的任何配置。实施本发明的控制逻辑或软件可存储于处理器1310可本地或远程访问的任何机器可读介质上。机器可读介质包含用于以机器(例如，计算机)可读的形式存储信息的任何机构。例如，机器可读介质包含只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、磁盘存储介质、光学存储介质、闪速存储器装置或其它可用于临时或永久数据存储的存储介质。在一个实施例中，控制逻辑可以实施为可传输数据，如电、光、声或其它形式的传播信号(例如，载波、红外信号、数字信号等)。

本申请描述并说明了系统的各种实施例。在不脱离本发明的范围的情况下，可以改变显示引擎的数目、波导的数目和调整的颜色。此外，颜色通道的设置可包含分辨率、视场、焦距和中心凹的差异的任何组合。此外，系统可以修改生成的蓝色、红色和/或绿色通道，以在颜色通道之间创建设置差异，而不脱离本发明的范围。此外，本文中示出的配置可以混合和匹配。因此，所述系统可包含一个或多个波导、一个或多个显示引擎，并将颜色通道分成一种、两种和/或三种颜色的任何组合，并且保持在本公开的范围内。

在前述说明书中，已参考本发明的具体示例性实施例描述了本发明。然而，显而易见的是，在不脱离如所附权利要求中阐述的本发明的更宽的精神和范围的情况下，可以对其进行各种修改和改变。因此，说明书和图式应被视为说明性的而非限制性的。

Claims (20)

1.一种用于显示图像的头戴式显示器系统，所述头戴式显示器系统包括：

显示引擎，其用以为显示器生成光；

所述系统被配置成将颜色特定设置应用于所述光的颜色的子集，使得所述颜色子集具有与所述光的另一部分不同的设置；以及

光学组合器，其用以输出光的所述一种或多种颜色以生成所述图像。

2.根据权利要求1所述的头戴式显示器系统，其中所述设置包括所述颜色子集的不同分辨率。

3.根据权利要求2所述的头戴式显示器系统，其中所述颜色子集包括绿光，并且所述绿光具有比红光和蓝光更高的分辨率。

4.根据权利要求2所述的头戴式显示器系统，其进一步包括：

所述光学组合器，其用以输出绿光，所述绿光具有第一分辨率；以及

第二光学组合器，其用以输出红光，所述红光具有第二较低分辨率。

5.根据权利要求4所述的头戴式显示器系统，其进一步包括：

第三光学组合器，其用以输出蓝光，所述蓝光具有第三最低分辨率。

6.根据权利要求4所述的头戴式显示器系统，其中蓝光通过所述第二光学组合器。

7.根据权利要求1所述的头戴式显示器系统，其中所述设置包括对于所述一种或多种颜色具有不同的焦距。

8.根据权利要求7所述的头戴式显示器系统，其中绿光具有比红光和蓝光更近的焦距。

9.根据权利要求8所述的头戴式显示器系统，其进一步包括：

所述光学组合器，其用以以第一焦距输出所述绿光；以及

第二光学组合器，其用以以第二更远的焦距输出红光。

10.根据权利要求9所述的头戴式显示器系统，其中蓝光通过所述第二光学组合器。

11.根据权利要求7所述的头戴式显示器系统，其中绿-蓝光以第一焦距显示，且红-绿光以第二焦距显示。

12.根据权利要求1所述的头戴式显示器系统，其中所述显示引擎包括：

第一显示引擎，其用以生成具有所述颜色子集的中心凹图像；以及

第二显示引擎，其用以生成场显示。

13.根据权利要求12所述的头戴式显示器系统，其中所述颜色子集包括绿色通道，并且所述场显示包括红色、蓝色和绿色通道。

14.一种用于显示图像的头戴式显示器系统，所述头戴式显示器系统包括：

显示引擎，其用以为显示器生成光谱；

所述系统被配置成将颜色特定设置应用于绿色通道；以及

光学组合器组合件，其用以输出所述光谱，其中所述绿色通道具有与其它颜色通道不同的设置。

15.根据权利要求14所述的系统，其中所述颜色特定设置包括分辨率，并且所述绿色通道具有比所述其它颜色通道更高的分辨率。

16.根据权利要求14所述的系统，其中所述颜色特定设置包括焦距，并且所述绿色通道具有比所述其它颜色通道更近的焦距。

17.根据权利要求14所述的系统，其中所述颜色特定设置包括中心凹，并且所述绿色通道以中心凹显示来显示。

18.根据权利要求14所述的系统，其中所述光学组合器组合件包括一个或多个波导。

19.根据权利要求18所述的系统，其中当所述光学组合器组合件包括两个或更多个波导时，导引所述绿色通道的波导比用于所述其它颜色通道的所述波导具有更高的公差。

20.根据权利要求14所述的系统，其进一步包括：

显示引擎，其用以为显示器生成全光谱；

所述系统被配置成将颜色特定设置应用于绿色通道；以及

光学组合器组合件，其用以输出所述全光谱，其中所述绿色通道具有与其它颜色通道不同的设置。

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